金盆水庫大壩安全監(jiān)測資料分析及存在的問題

勾建朋，尚昊博，任莉萍

（1.西安水務(wù)（集團(tuán)）黑河輸水渠道管理有限公司,陜西 西安 710061； 2.西安水務(wù)（集團(tuán)）黑河金盆水庫管理公司,陜西 周至 710401；3.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710043）

1 前言

黑河金盆水庫大壩工程位于西安市周至縣境內(nèi),在運行過程中,為實時掌握水庫的運行狀態(tài),必須進(jìn)行大壩安全監(jiān)測[1]。大壩安全監(jiān)測是對水利工程相關(guān)結(jié)構(gòu)、設(shè)施及周圍環(huán)境通過儀器監(jiān)測或人工巡視所做的測量及觀察,是了解大壩運行狀態(tài)和安全狀況的有效手段和方法[2]。

為保證安全監(jiān)測的及時性與有效性,通常選擇一些具有代表性的項目和測點建立監(jiān)測指標(biāo),常見的監(jiān)測指標(biāo)有變形監(jiān)測指標(biāo)、滲流監(jiān)測指標(biāo)、應(yīng)力監(jiān)測指標(biāo)等,所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)及其變化是對大壩運行情況的真實反映[3]。因此,真實、準(zhǔn)確地分析監(jiān)測數(shù)據(jù)對于確定大壩運行狀態(tài)與大壩安全鑒定有著重要意義[2]。

金盆水利樞紐工程自建成運行已有20 多年,目前已開展的觀測項目有巡視檢查、滲流監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測等。為滿足現(xiàn)階段大壩安全運行的要求,本文對歷年大壩安全監(jiān)測資料進(jìn)行整理分析,并對大壩安全監(jiān)測中存在的問題進(jìn)行剖析,對大壩安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

2 安全監(jiān)測項目

2.1 巡視檢查

大壩巡視檢查是土石壩安全監(jiān)測的重要環(huán)節(jié),巡視檢查采用眼看、耳聽、手摸、腳踩等直觀方法,查看各建筑物有無裂縫、積水、變形等；滲水量、顏色、渾濁度有無變化等異?，F(xiàn)象。非汛期每周一次；汛期每周兩次；庫水位590 m以上每兩天一次；主汛期庫水位達(dá)到591 m,次汛期水位達(dá)到593 m,有降雨或出現(xiàn)洪水時,每天一次。針對巡視發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行標(biāo)記、記錄,并觀察其變化規(guī)律,必要時召開專家論證會,對問題的成因進(jìn)行分析及處理的必要性和方案進(jìn)行討論。針對發(fā)現(xiàn)的問題及時處理,加強(qiáng)樞紐工程的維修保養(yǎng),確保工程安全運行。

2.2 變形監(jiān)測

大壩變形監(jiān)測是大壩安全監(jiān)控的重要組成部分,能夠客觀地判斷出工程是否處于安全性態(tài),在保證大壩安全上具有重要作用[4]。

2.2.1 壩體表面變形監(jiān)測

大壩表面布設(shè)4 條水準(zhǔn)線（垂直）及視準(zhǔn)線（水平）,水準(zhǔn)線測量采用國家二等水準(zhǔn)測量規(guī)范精度要求,每千米高差中誤差為2 mm；視準(zhǔn)線采用二等極坐標(biāo)法進(jìn)行測量,每個變形點監(jiān)測兩個測回。

圖1 2006 年至2019 年600 高程表面累計沉降趨勢圖

圖2 2006 年至2019 年600 高程表面累計位移趨勢圖

數(shù)據(jù)分析表明,大壩600 高程表面水準(zhǔn)線監(jiān)測點一直處于沉降趨勢,但逐年在減小,說明大壩表面沉降基本趨于穩(wěn)定；監(jiān)測點表面位移量與庫水位關(guān)系密切,隨庫水位的升高位移量而變化。

2.2.2 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測

大壩內(nèi)部沉降分為施工期和運行期兩部分。沉降量在施工期由壩體自重引起,使壩體產(chǎn)生壓縮沉降、橫向（沿河流流向）和縱向（沿壩軸線向）的水平位移；竣工后由于壩體自重和上游蓄水壓力等的作用,會使壩體繼續(xù)產(chǎn)生沉降和橫、縱兩個方向的水平位移[5]。

沉降量在運行期間主要受濕化和流變影響,與上游實時水位及其變化速率、降水量、溫度變化有關(guān),運行期沉降在最初3 年內(nèi)最快,而后逐漸趨于穩(wěn)定。

黑河水庫沉降觀測分布在三個斷面,在三個斷面上分別設(shè)置沉降管為：s1,s2、s3、s4,s5。

本文選取s5 沉降管進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

圖3 s5 沉降管累計沉降變化過程線

從s5 沉降管的累計沉降變化過程線可以看出,變化趨于穩(wěn)定,規(guī)律基本一致,沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

2.2.3 近壩岸邊坡監(jiān)測

采用萊卡TCA2003 全站儀進(jìn)行自動測量,測角精度0.5 s,測距精度每千米1.2 mm,對每個變形點監(jiān)測4 個測回,然后進(jìn)行人工取平均整理數(shù)據(jù)分析。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,個別監(jiān)測點測值超出精度要求,經(jīng)人工近距離巡視后,未見裂縫及滑坡等破壞跡象；結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)初步分析,引水洞出口、泄洪洞出口、溢洪洞邊坡、新滑坡體相對穩(wěn)定；電站后邊坡、右壩肩邊坡、2#滑坡體個別監(jiān)測點變化量較大,但通過近距離巡視檢查未發(fā)現(xiàn)異常,后續(xù)將繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測巡查。

2.3 滲流監(jiān)測

黑河金盆水庫大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)是整個安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,該系統(tǒng)在水庫管理過程中發(fā)揮了重要作用。

2.3.1 壩體滲流壓力監(jiān)測

采用振弦式孔隙水壓力計進(jìn)行滲流觀測,每月人工觀測一次,主要監(jiān)測壩體孔隙水壓力變化和壩坡穩(wěn)定及壩體浸潤線位置、形狀等,測點布置在大壩三個斷面上,共計78個測點。

本文選取大壩0+316 剖面進(jìn)行壓力水位過程線與庫水位關(guān)系分析。根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)系圖分析,0+316 剖面埋設(shè)高程儀器的滲透壓力隨著上游庫水位的變化而變化,受上游庫水位影響較大,心墻前反濾料埋設(shè)的儀器幾乎接近上游庫水位,各斷面大部分測點壓力水頭從上游到下游依次減小,心墻前后壓力水位差值較大。

通過浸潤線圖分析,當(dāng)庫水位較高時,心墻土體在庫水位變化范圍內(nèi)飽和,斷面浸潤線在“594 設(shè)計浸潤線”以下,說明壩體滲流正常。

2.3.2 壩基滲流壓力監(jiān)測

壩基埋設(shè)滲壓計4 支,布置在壩0+225 斷面上,位于混凝土底板475 高程處,從帷幕前后依次分布。分別是p1-8、p1-9（帷幕前）、p1-10（帷幕后）、p1-11。

根據(jù)壩基壓力水位與庫水位關(guān)系圖,可以看出0+225 剖面帷幕前P1-8測點水位接近上游水位,從監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,帷幕前后壓力水位差Δp在62 m～90 m之間,隨著時間的推移,帷幕后滲壓計P1-10、P1-11 壓力水位較為穩(wěn)定且略有降低,說明壩基帷幕起到較為明顯的防滲作用。

圖4 壩基壓力水位與庫水位關(guān)系圖

2.3.3 繞壩滲流監(jiān)測

繞壩滲流水位井水位隨庫水位作周期性變化,庫水位升高水位井水位也隨之升高,庫水位降低水位井水位也隨之降低,但這種相關(guān)關(guān)系存在一定的滯后效應(yīng),這是因為地下滲流也需要一定的時間,并且這種滯后效應(yīng)同距離帷幕的遠(yuǎn)近有較大關(guān)系,距離帷幕遠(yuǎn)的水位井,滲經(jīng)長,滯后效應(yīng)大,庫水位的增長反應(yīng)到水位井水位的增長所需時間更長,反之距離帷幕近的水位井,滲經(jīng)短,滯后效應(yīng)小,庫水位的增長反應(yīng)到水位井水位的增長所需時間較短。

2.3.4 滲流量監(jiān)測

為了監(jiān)測壩體、壩基、壩肩滲流量變化及滲流安全情況,共設(shè)4 個直角三角形量水堰測點,分別為壩后1 個,左、右岸各1 個,左岸排水洞1 個。

量水堰的水量來自壩體、壩基和左右岸壩肩的所有滲水以及壩下游兩岸山體中地下水對河流的補(bǔ)給水量。

2003 年6 月25 日蓄水以來,泄洪洞洞頂平臺、左岸排水洞量水堰測值隨大壩蓄水測值逐漸增大。蓄水初期左岸排水洞量水堰測值與庫水位一致,2020 年6 月30 日庫水位達(dá)到584.56 m,左岸排水洞滲流量達(dá)到507.79 m3/d。7 月10 日庫水位降至582.84 m,左岸排水洞滲流量達(dá)到今年入汛以來最大值578.56 m3/d,說明滲流量與庫水位的變化具有一定滯后性,但時間較短、相關(guān)性較好,說明滲水主要來自庫水,而后隨著庫水位變化有所減小,庫水位在小幅度范圍波動時,左岸排水洞滲流量隨之波動,但量值隨時間變化呈明顯減小趨勢。

3 大壩安全監(jiān)測中存在的問題

3.1 大壩安全監(jiān)測資料分析存在問題

大壩安全監(jiān)測資料整編分析涵蓋面大,涉及的數(shù)據(jù)量大、種類多,目前仍主要靠人工完成[6]。

金盆水庫大壩安全監(jiān)測人員對觀測資料整理分析工作內(nèi)容包括季度報表以及年度觀測數(shù)據(jù)分析等,分析評價深度主要是依據(jù)單測點或多測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的定性分析,缺乏系統(tǒng)性與綜合性的定量分析,使觀測成果不能完整、客觀地反映大壩變形狀況,存在監(jiān)測資料分析薄弱、專業(yè)技術(shù)力量不足等問題。

3.2 大壩安全監(jiān)測自動化問題

金盆水庫大壩電子監(jiān)測儀器自動化程度較高,所得監(jiān)測數(shù)據(jù)基本為自動化處理結(jié)果[5]。但是仍然有一些監(jiān)測項目采用人工監(jiān)測,耗時耗力,無法做到同步監(jiān)測,難以保證在惡劣條件下采集數(shù)據(jù)的可靠性、及時性。

此外大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在Excel 表格中,很多繪圖制表工作仍在Excel、Word 里手工完成。在一系列觀測值中,如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的異常值診斷,取決于儀器的性能以及工作人員的素質(zhì),存在一定差異性[7]。

4 解決辦法

（1）加強(qiáng)與院校、科研單位的聯(lián)系,采用多種方法（如統(tǒng)計模型、確定性模型、數(shù)學(xué)模型等）作綜合分析,既開展定性分析又進(jìn)行定量分析,使監(jiān)測資料分析成果更真實地反映大壩實際變化,更好地服務(wù)于大壩安全。

（2）加強(qiáng)監(jiān)測設(shè)施、儀器設(shè)備的維護(hù)工作,發(fā)現(xiàn)破損及時修補(bǔ)恢復(fù),如有必要,可以更換新設(shè)備。

（3）提高從業(yè)人員自身素質(zhì),加強(qiáng)理論和技能學(xué)習(xí),培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

5 結(jié)論

本文通過整理分析金盆水庫大壩近年來安全監(jiān)測資料,通過巡查監(jiān)測、變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,探究土壩變形規(guī)律,揭示其變形特性及安全性態(tài),同時對監(jiān)測過程中存在的問題進(jìn)行分析,指出存在的問題與不足,對后續(xù)安全監(jiān)測工作具有一定借鑒意義。